完整版5G移动通信系统与技术.pptx

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5G移动通信系统与技术,课程目标,了解5G标准进展了解5G核心指标了解5G关键无线技术了解5G网络结构和网络技术了解5G特色业务应用参考书目5G愿景白皮书5G概念白皮书5G网络技术架构2,5G系统标准发展概述5G系统核心能力指标5G系统关键无线技术5G系统新型网络架构5G系统重要网络技术5G系统特色业务应用,课程介绍,4,1、移动通信技术演进规律2、4G/4.5G/5G标准主要技术特征3、移动通信技术愿景和路标,需求推动移动通信技术持续演进,移动通信技术具有代际演进的规律-全球移动通信经过1G、2G和3G三个发展阶段，正从3G向4G演进-当前各国正在积极推进5G技术研究1G2G3G,4G,1990s短信,2000s社交应用,2010在线、互动、游戏,1980s语音,5G,2020虚拟现实、“零”时延感知,有好强爽移动互联网和物联网为5G发展提供广阔发展空间-预计2010年到2020年全球移动数据流量增长将超过200倍，我国将增长300倍以上-预计到2020年全球移动终端数量将超过100亿，其中我国将超过20亿-预计到2020年全球物联网设备连接数为500亿，其中我国将超过100亿,悦,移动通信技术演进完成时：

4G,GPRS/EDGE,峰值速率（UL:

DL）0.47/0.47Mbps,3GPP阵营（GSM）,WCDMA峰值速率5.76/14.4Mbps,HSPA,TD-SCDMATD-HSPA峰值速率0.55/1.68Mbps,峰值速率：

1.8/3.1Mbps,EV-DORel.0D0Rel.A,CDMA20001x,3GPP2阵营（CDMA）,LTEFDD峰值速率（20MHz）50M/150Mbps,LTETDD峰值速率（20MHz）10M/110Mbps,LTE-A,峰值速率500M1Gbps,MobileWiMAX802.16e,峰值速率75Mbps,MobileWiMAX802.16m,峰值速率500M1Gbps,WiMAX阵营,2G3GTDMACDMA,3.9GOFDMA,4G,概念抢占Pre5G/4.5G/TDD+,R10,R11,R12,R13,R14,R15,R16,容量：

xGbps,连接：

300亿连接量时延：

10ms,5G容量：

10Gbps连接：

1000亿连接量时延：

1ms,4G容量：

0.xGbps连接：

8亿连接量时延：

60ms20102012,2014,2018,2020,R12,更,R13,强满,型足,L不T,E断-,4.5GA增,长增,强的,型流s量m需,a求ll2016cMe,lals,、siv,更e,强C,载A,波、,聚增,合强,、室L内TE,R14,、M面M向T,T未C,C来、,移动宽带,移动互联网,移动通信技术演进进行时：

4.5G,4.5G适合于室内和热点的多场景覆盖,街道,体育场所,写字楼,商业区,CoMP,校园,居民住宅,eICIC,SON,3DMIMO,SW,普通传输接入PoE供电,室分系统,LTE-HI,Vs.,室分系统工程施工SW直流供电GPSIr光纤部署7x4x,1x,0.5x总成本,新建双路,新建双路,LTE-HI,利旧单路,3x峰值速率,40x峰值速率,室分系统,LTE-HI,LTE-HI,LTE-HI,3.5GHz,Co-RRM,宏基站,传输网,4.5G低成本，安装简单，一条网线解决,4.5G通过新增Co-RRM网元，协调和平衡无线资源，实现大规模密集组网增大容量,4.5G大带宽，可实现高容量进行补热,1,2,3,4.5G主要无线技术特征,中心用户,边缘用户,OFDMA,边缘用户,SOMA,中心用户,分配1/5功率,分配4/5功率,频率,功率,功率,频率调制技术：

256QAM（256阶正交振幅调制）,相对4G的64QAM承载6bit，采用256QAM可承载8bit，同样的时频资源块上能容纳更多数据，提升了空口吞吐量。

256QAM,64QAM,8载波以上载波聚合,4T4RMIMO,8T8R以上MIMO,3DBF通过水平、垂直两维波束赋形提供最大32。

4G只有水平维度的波束赋形，最大8流,MassiveCAMassiveMIMO物联网技术：

LTE-MLTE-M是为满足运营商开拓物联网需要提出新的一种蜂窝网络技术，采用窄带技术（带宽从4G的180kHz降低到下行15kHz、上行5kHz）相对4G覆盖提升200倍（功率谱密度提升36倍，最大64个TTIBundling提升5.5倍），单小区支持110万连接数（LTE-M的RB数提高36倍。

3DBF,水平方向波束,向波束,垂直方向波束,多天线技术：

MassiveMIMO（3DBF、8T8R以上MIMO）、MassiveCA（8载波以上）水平方,接入技术：

SOMA（半正交频分多址）将小区中心用户和边缘用户分配在同一个时频资源块上，通过功率资源（两用户功率相差较大场景）对两用户进行区分，从而提高资源利用率，获得更高吞吐量。

移动通信技术演进将来时：

5G,未来触手可及,5G主要无线技术特征,移动通信技术演进：

愿景,4G,4.5G,5G,人与人互联高清视频、简单物联网、车联网,物联网,4k超高清视频、物联网、车联网,全息视频、虚拟现实、自动驾驶、物联网、车联网、智能家居、穿戴式设备,应用场景,定义,G是4G的全方位平滑演进，可以在现有4G上通过软件升级或增加一定硬件来实现，4.5G定位于未来五年出现的新终端、新业务、新体验，是5G的先行者。

4.5G定义（4.5G标准R12将于今年底冻结）：

4.5G是4G演进，可提供XGbps大容量、10ms低时延和300亿连接数基于SOMA、256QAM、MassiveMIMO等关键技术提供xGbps高容量；基于CloudEPC及ShorterTTI特性缩短时延到10ms；通过LTE-M提供小带宽满足物联网300亿+接入用户数,5G不仅仅是一次技术升级，它将为我们搭建一个广阔的技术平台，催生无数新应用、新产业。

5G将成为全联接世界和未来信息社会的重要基础设施和关键使能者。

5G定义（标准处于研究阶段）：

5G通过系列关键新技术可提供10Gbps超大容量、端到端1ms超低时延、1000亿海量连接革命性技术：

全双工技术、MassiveMIMO多天线（128*128）、高阶频段（30G-100GHz）提供高达10Gbps容量；采用0.1msTTI将时延降低到1ms，可变带宽子载波支持连接数1000亿以上，应对未来10年ICT行业巨大变化，实现万物互联。

万物互联,移动通信技术演进：

路标,5G商用,4.5G、5G的设计目标：

提供更高容量、更多连接、更短时延。

当前4.5G标准R12将于今年底冻结，R13标准正在制定；5G标准正处于研究阶段。

2010,2012,2014,20164.5G商用,2018,2020,Rel-16,3GPP标准版本,Rel-10Rel-11Rel-12Rel-13Rel-14Rel-15LTE-Advanced（4G）4.5G,5G,CA、CoMP、MIMOHetNet.,SOMA、256QAM、MassiveCA、MassiveMIMO、LTE-M、U-LTE.,SCMA、F-OFDM、MassiveMIMO、全双工.,5G的主要驱动力,5G的技术发展路线,新的频谱使用新的空口传输技术新的网络架构,更灵活的网络连接支持更多的应用场景,融合,创新,100Mbps,1Gbps,10Gbps,IMT-2020技术愿景,多领域跨界融合多系统融合多RAT/多层次/多连接融合多模多业务对于终端的影响,LTE-HI/小小区持续增强先进天线技术,更智能化的的网络管理和无线资源管理,演进,无所不在的服务,5G移动宽带系统将成为面向2020年以后人类信息社会需求的无线移动通信系统。

5G不再仅仅是更高速率、更大带宽、更强能力的空中接口技术，而是面向业务应用和用户体验的智能网络。

它是一个多业务多技术融合的网络，通过技术的演进和创新，满足未来包含广泛数据和连接的各种业务的快速发展需要，提升用户体验。

持续推动5G标准,推动成立IMT-2000，负责需求组多议题、频谱需求和候选频段的研究,牵头863项目-5G无线传输关键技术,5G预研,牵头863项目-5G无线传输关键技术,牵头四个技术专题研究方向，积极参与IMT2020需求组、频谱组工作,2015,提前布局5G产业,全双工,50Gbps基站,f-OFDM,100Gbps传输系统,SCMA,mmWave（毫米波传输系统）,MassiveMIMO,课程总结,18,1、移动通信演进规律4G-4.5G-5GR12对应4.5G，R15对应5G有、好、强、爽、悦2、移动通信标准主要技术特征4.5G:

3DMIMO、massiveMIMO、半正交多址、256调制技术、物联网LTE-M5G:

massiveMIMO、非正交多址、全双工、灵活双工、增强多载波等,1.5G系统标准发展概述,5G系统核心能力指标5G系统关键无线技术5G系统新型网络架构5G系统重要网络技术5G系统特色业务应用,课程介绍,20,1、5G八大关键能力指标2、5G频率挑战、技术挑战、效率挑战和运营挑战,ITU定义的5G八大关键能力,ITU定义的三大应用场景,指标名称,流量密度0.1Tbps/Km2,连接数密度,时延,移动性,能效,用户体验速率,频谱效率,峰值速率,4G参考值,10万/km2,空口10ms,350Km/h,1倍,10Mbps（urban/suburban）,1倍,1Gbps,5G取值,10Tbps/Km2,100万/Km2,空口1ms,500Km/h,100倍提升（网络侧）,0.1-1Gbps,3倍提升（某些场景5倍）,20Gbps,中国5G之花,5G技术发展的愿景:

“信息随心至，万物触手及”,5G的频率挑战,5G的技术挑战,25,5G的运营挑战,5G的效率挑战,5G系统相比4G系统在频谱效率、能源效率和成本效率方面需要到得显著提升：

频谱效率需提高515倍能源效率有百倍以上提升成本效率有百倍以上提升,能效提升技术,跨层优化资源调度高效利用有限资源跨层资源联合调度,应用层,传输层,物理层,智能MAC,实时/非实时,拥塞控制,感知路由,链路层CSI,网络层QSI,跨网优化协作通信减少竞争、增加合作跨网资源联合优化配置,CHORUS:

Collaborative&HarmonizedOpenRadioUbiquitousSystem,提升用户体验，降低能量消耗,CHORUS,课程总结,28,1、5G八大关键能力流量密度、连接数密度、时延、移动性、频谱效率、能效、用户体验速率、峰值速率2、5G三大关键应用场景海量机器通信、增强的移动宽带、超高可靠和低时延通信3、5G挑战频率挑战技术挑战运营挑战效率挑战,1.5G系统标准发展概述,5G系统核心能力指标5G系统关键无线技术5G系统新型网络架构5G系统重要网络技术5G系统特色业务应用,课程介绍,30,1、5G面临的挑战和应对思路2、5G主要关键技术大规模天线技术非正交多址接入技术,5G发展技术需求,多频段、多接入模式、小的覆盖半径给网络技术带来挑战,新型通信技术和高频段开发给半导体技术带来挑战,海量设备带来的能耗增加为绿色通信的要求带来挑战,信道在高速移动条件下的恶化和高频段信道的开发为高传输速率技术带来挑战,有限的频谱资源一直以来制约着无线通信系统性能提升,小区密集化以及移动设备的增加导致的干扰制约网络容量增长和传输速率增加,5G：

颠覆性技术在哪里？

需要技术和策略突破,5G：

解决三个主要问题？

容量不足,能耗高,提升用户体验,频谱利用无线接入无线传输无线组网业务与终端,产生颠覆性技术的五个方向,解决思路,异构协同10无线网络架构革新,蜂窝,WLAN,卫星,互联网,异构协同：

建立高效、开放、可扩展、可信智、能的无线网络体制,需要技术和体制的革新,广播高效协作,用户,新技术,更多频谱10新频段技术新频谱新频段,新体制,更高频谱效率10无线传输和接入,5G无线技术路线,5G空口技术框架,5G空口关键技术演进,容量,接入技术,OFDMA,SOMA（半正交频分多址）半双工256QAM,GMFDM（通用多载波频分多址）全双工（同时同频收发）256QAM100M及其以上（高频段）,双工方式调制带宽,半双工64QAM,20M,20MU-LTEMassiveCA:

8CC及其上，包括以T+FCAMassiveMIMO:

8T8R及其以上ShorterTTI（0.5ms）NarrowBand-M2MM（）LTE-D2D（LTE-D）CloudEPC,CA,4CC,MassiveCA,MIMO,2*2MIMO、4*4MIMO,MassiveMIMO：

64T64R及其以上0.1msTTI,时延,降低时延,1msTTI更多连接数固定15kHz子载波网络架构扁平化IP化网络架构,连接数,可变带宽子载波,架构,NFV、SDN,5G无线关键技术

（1）-大规模天线技术（1/3）,技术原理当基站侧天线数远大于用户天线数时，基站到各个用户的信道将趋于正交。

用户间干扰将趋于消失，而巨大的阵列增益将能够有效地提升每个用户的信噪比，从而能够在相同的时频资源共同调度更多用户。

功能和优势若基站配置400根天线，在20MHz带宽的同频复用TDD系统中，每小区用MU-MIMO方式服务42个用户时，即使小区间无协作，且接收/发送只采用简单的MRC/MRT时，每个小区的平均容量也可高达1800Mbps。

应用场景城区宏覆盖、高层建筑、室内外热点、郊区、无线回传链路,技术方案面向异构和密集组网的massiveMIMO网络构架与组网方案MassiveMIMO物理层关键技术大规模有源阵列天线技术大规模天线与高频段的结合,5G无线关键技术

（1）-大规模天线技术（2/3）,5G大规模天线：

基站使用大规模天线阵列（几十甚至上百根天线）,4G：

3GPPLTE标准支持SISO，22MIMO，44MIMO。

下行峰值速率100Mb/s。

3G：

WCDMAHSPA标准只能使用SISO，下行峰值速率7.2Mb/s,MIMO技术的演进,密集站点,4G：

3GPPLTE-A标准最多支持88MIMO，下行峰值速率1Gb/s3G：

WCDMAHSPA+标准支持22MIMO，下行峰值速率42Mb/sMIMOC-RAN分布MIMO,5G无线关键技术

（1）-大规模天线技术（3/3）,何为大规模天线：

大量天线为相对少的用户提供同传服务,系统容量,10倍,100倍,能量效率,发射能量,大规模天线被公认为5G关键技术之一,5G无线关键技术

（2）-非正交多址接入技术（1/3）,技术原理PDMA图样分割多址接入（PatternDivisionMultipleAcess）是一种基于多用户通信系统整体优化的新型非正交多址接入技术，通过发送端和接收端的联合设计，在发送端采用功率/空间/编码等多种信号域的单独或者联合非正交特征图样区分用户，在接收端采用SIC方式实现准最优多用户检测。

主要功能和优势对于大容量持续业务信道，使系统整体频谱效率提升1-2倍；对于大容量随机突发业务，缩短数据包传输时延并提升用户接入体验。

技术方案发射端图样设计导频设计与MIMO结合低复杂度检测算法应用场景宏蜂窝及宏微蜂窝异构网络分布式多天线或密集小区低时延高可靠等极端场景,5G无线关键技术

（2）-非正交多址接入技术（2/3）非正交多址接入（Non-orthogonalMultipleAccess:

NOMA）,复杂度（Complexity）,容量（Capacity）,NOMA两个用户同时占用所有可用带宽弱用户先解码强干扰，消除干扰的影响，再解码自己的消息。

可实现最优容量，并改善弱用户可达速率,5G无线关键技术

（2）-非正交多址接入技术（3/3）,F-OFDM波形技术：

根据业务灵活配置,SCMA稀疏码本多址：

多维调制、扩频,PDMA图样多址：

功率域、空间域、码域,MUSA多用户多址：

非线性SIC接收机,课程总结,43,1、5G面对挑战解决思路新体制、新技术、新思路2、5G主要关键技术大规模天线技术非正交多址接入技术：

PDMA/NOMA/MUSA/SCMA/F-OFDM,课程介绍,44,1、5G主要关键技术双工技术超密集组网物联网设计高频信号传输技术灵活频谱共享技术新型传输波形技术先进编码调制技术,5G无线关键技术（3）-双工技术（1/3）,小基站根据上下行业务量灵活自适应上下行信号对称统一消除上下行干扰宏站管理、控制；小站业务、低功率,灵活双工,全双工,自干扰抑制空间域：

天线位置、空间零陷波束、高隔离收发天线。

射频域：

构建与接收自干扰信号幅相相反的对消信号。

数字域：

残存线性与非线性自干扰进行重建消除。

TX,RX,5G无线关键技术（3）-双工技术（2/3）,灵活双工技术基本原理随着在线视频业务的增加，以及社交网络的推广，未来移动流量呈现出多变特性：

上下行业务需求随时间、地点而变化等，目前通信系统采用相对固定的频谱资源分配将无法满足不同小区变化的业务需求。

灵活双工能够根据上下行业务变化情况动态分配上下行资源，有效提高系统资源利用率。

应用场景低功率节点的小基站低功率的中继节点,5G无线关键技术（3）-双工技术（3/3）,在现有基础上，理论上信道容量提升1倍,案,全双工通信技术时分双工上下行链路同频，分时频分双工上下行链路分频，同时全双工上下行链路同频，同时目前国外已建立试验平台，国内开展研究较少多天线对消方,5G无线关键技术（4）-超密集组网（1/3）,技术原理技术方案,增加单位面积内小基站的密度，通过在异构网络中引入超大规模低功率节点实现热点增强、消除盲点、改善网络覆盖、提高系统容量。

功能和优势,满足热点地区500-1000倍的流量增长的需求（几十Tbps/k,1百万连接/k，1Gbps用户体验速率）,应用场景,密集街区、密集住宅、办公室、公寓、大型集会、体育场、购物中心、地铁,5G高密度小区的网络架构干扰管理移动性管理连接管理多层，多RAT融合组网节能SON,现代办公,大型露天集会,地铁,密集商业区,5G无线关键技术（4）-超密集组网（2/3）,超密集组网关键技术,干扰抑制与管理,移动性管理,联合传输与反馈,5G无线关键技术（4）-超密集组网（3/3）,多系统多分层多小区多载波,+精细化覆盖是5G的重要发展方向,3.5GHz,1.9GHz1.8GHz,室内热点,密集城区,近郊&郊区,宏站,宏站,2.6GHz2.1GHzLTE-HI,LTE-HI,900MHz800MHz,农村、山区,5G无线关键技术（5）-低时延高可靠物联网设计（1/2）,技术原理技术方案,满足移动互联网和物联网的应用场景的扩大所带来的对时延和可靠性的特殊要求。

主要功能和优势,端到端ms级用户面时延真正永远在线体验:

10ms控制面时延可靠性高达99.999%以上,应用场景,实时云计算、增强现实、在线游戏、远程医疗等智能交通、智能电网、实时远程控制等紧急通信,新的网络架构新的空口设计高层信令过程设计接入过程和方法设计,智能交通,工业控制,紧急通信,短帧,灵活本地网络架构,流程优化,5G无线关键技术（5）-低时延高可靠物联网设计（2/2）,端到端通信D2D,优势：

终端近距离通信，高速率低时延低功耗。

短距离通信可频谱资源复用。

无线P2P功能。

拓展网络覆盖范围,时频资源：

正交：

基站控制，容量受限。

复用：

高效利用，引入干扰。

协调：

网络完全控制：

控制干扰，会产生大量信令开销，无法体现D2D通信的灵活性。

网络辅助自主：

自主D2D节省资源缩短时延，网络辅助进行无线资源管理。

5G无线关键技术（6）-高频段信号传输技术（1/4）,技术原理,移动通信传统工作频段十分拥挤，而大于6GHz的高频段可用频谱资源丰富，能够有效缓解频谱资源紧张现状，可以支持极高速短距离通信。

主要功能和优势,高达1GHz带宽的频率资源，将有效地支持10Gbps峰值速率和1Gbps用户体验速率。

技术方案,高频段传播特性、信道测量与建模基于高频段的传输技术方案高频段的射频和天线关键技术基于高频段的新载波空口设计网络架构和组网技术,应用场景,用高频做蜂窝接入用高频做基站与基站之间的回传D2D的高频通信、车载通信等,高低频融合组网,Relay组网增强,干扰协调干扰管理,高频无线资源管理,5G无线关键技术（6）-高频段信号传输技术（2/4）,频谱拓展技术,5G无线关键技术（6）-高频段信号传输技术（3/4）,认知无线电提高已分配频谱的利用效率2014年7月，国家无线电监测中心和全球移动通信系统协会发布450MHz-5GHz关注频段频谱资源评估报告，给出了北京、成都和深圳等城市部分无线电频谱占用统计数字。

统计结果表明，5GHz以下所关注频段大部分的使用率远远小于10%，说明5GHz以下频段使用效率有大量的提升空间。

为了提高频谱利用率，未来5G需要采用认知无线电技术,5G无线关键技术（6）-高频段信号传输技术（4/4）,0,3GHz,6GHz,60GHz,WRC-15AI1.2candidatebandsbelow6GHz2G/3G/4Gre-farming,Potentialbandsabove6GHzfor2020s,GlobalinterestbandsforWRC-15,（6GHz）频谱分配原则优先保障移动通信的频谱资源技术上可以实现连续500MHz带宽可用能与其他系统共存,5G无线关键技术（7）-灵活频谱共享技术（1/3）,技术原理,新的频谱使用方法，让多个系统共享使用特定频谱，改变了以往固定频谱分配的方式。

主要功能和优势可有效拓展IMT可用频谱约1倍。

应用场景,机会式使用授权共享非授权共享,技术方案,网络架构、基于数据库共享、SON无线环境检测、动态频率分配、RRM、干扰管理和QoS保证经济和商业模式、无线电规则等,IMT机会式使用其它业务空闲频段同频段多运营商多RAT共享,PS,IMT共享授权频段data,base,IMT与非授权频段联合使用（LTE-U）,5G无线关键技术（7）-灵活频谱共享技术（2/3）,传统静态频谱分配策略行政指派或拍卖方式，静态使用。

面临的挑战挑战1：

频谱利用存在不均衡问题挑战2：

存在时-频-空多维频谱空洞挑战3：

频谱利用效率较低,现有频谱分配殆尽,北邮频谱测量结果显示北京频谱利用存在空洞,英国广播电视频段频谱利用存在不均衡问题,美国芝加哥地区30MHz-3GHz频谱利用率较低，仅为5.2%,5G无线关键技术（7）-灵活频谱共享技,术（3/3）动态频谱分配策略,打破传统静态频谱分配方法的局限，结合时-频-空多维频谱的动态分配，促进频谱资源利用能够智能化，以使其使用更高效灵活，从而提高频谱利用效率。

频谱紧缺与频谱浪费是一对矛如何提盾升，频谱利用效率？

？

频谱紧缺,频谱浪费,频谱利用不均衡，存在频谱空洞，频谱利用效率低,解决方法,动态频谱,5G无线关键技术（8）-新型传输波形技术（1/2）,OFDM传输波形技术OFDM是当前Wi-Fi和LTE标准中的高速无线通信的主要传信模式,OFDM是未来5G的关键传输波形技术，其性能仍有提升空间,OFDMmod.（IFFT）,CPinsertion,Noise,OFDMdemod.（FFT）,CPremoval,Transmitter,Receiver,5G无线关键技术（8）-新型传输波形技术（2/2）,新型传输波形技术滤波器组多载波（Filterbankmulticarrier：

FBMC）,传统OFDM功率谱,FBMC功率谱,除了FBMC外，还有多种波形改进技术，如time-Freq